Jste zde

TMR – Tunelová magnetoresistence – 2. díl - senzory

Antonín Vojáček, 28. Srpen 2011 - 17:04

I když TMR jev se začal používat teprve nedávno, již existují výrobci, kteří TMR senzory produkují v podobě klasických integrovaných obvodů. Aktuálně se v této oblasti nejvíce angažují společnosti NVE, Freescale a Micro Magnetics. Zjišťoval jsem, co nabízejí...

Jestliže v případě GMR senzorů platilo, že výrobců této technologie není mnoho, to samé platí i v případě technologie TMR (popis - viz článek TMR – Tunelová magnetoresistence – 1. díl - princip). I když množství výrobců je podobné, samotná nabídka typů TMR senzorů je zatím velmi úzká. Dá se říct, že většina společností nabízející TMR, mají vyrábějí jeden, dva či max. tři různé zástupce. To se však myslím do budoucna rychle změní. Vysoká citlivost TMR jevu totiž umožňuje realizovat velmi magneticky citlivá měřící zařízení, například plně elektronické kompasy a to i s kompletní vyhodnocovací elektronikou v kompletně v jedné integrované součástce, jak to například již provedla společnost Freescale.

Porovnání technologií měření mag. pole

Každá technologií AMR, GMR a TMR, příp. i Hallův jev, má své výhody a nevýhody a dá se říct, že každá je tedy vhodná pro jiné aplikace. Zatímco například AMR sice vykazuje jen malou změnu odporu s ohledem na změnu mag. pole, její výhodou je obvykle vysoká linearita této převodní charakteristiky v širokém rozsahu a je proto velmi vhodná pro přesná měření. Navíc je vcelku velmi jednoduchá na výrobu. Na druhou stranu TMR vykazuje vysokou citlivost na mag. pole (již malé hodnota mag. pole způsobí velkou změnu odporu), ale obvykle převodní charakteristika vykazuje schodovitou funkci s hysterezí a jen s krátkou lineární částí. Tím je spíše vhodná pro různé komerční produkty a spotřební elektroniku, kde je vysoká citlivost vyžadována z důvodu velké odolnosti proti různému okolnímu rušení a zjednodušení elektrické konstrukce zařízení, ale samotná absolutní přesnost není prvořadá (podobně jako je třeba tomu u termistorů vs. platinové odporové senzory teploty).

Proto také zatím na trhu najdete zástupce každé z nich, přičemž s ohledem na snadnější výrobu a delší historii stále převažuje použití Hallova jevu (popis viz článek Magnetické senzory s Hallovým efektem - 1. princip) a AMR (popis viz článek Integrované AMR senzory magnetického pole ). Technologie GMR (viz článek GMR senzory mag. pole - 1. díl - princip a struktura) však již téměř v počtu vyráběných integrovaných součástek AMR dostihla (nepočítám speciální aplikace typu čtecí hlavy harddisků). Praktické použití technologie TMR je pak nejmladší, a proto také zatím jen málo výrobců vlastní technologie a know-how výroby TMR součástek (opět nepočítám speciální aplikace typu čtecí hlavy harddisků nebo paměti MRAM – o nich v dalším díle seriálu).

Výrobci TMR senzorů

Mezi aktuální výrobce TMR integrovaných senzorů (též označované jako "MTJ sensor" z anglického "Magnetic Tunnel Junction") patří:

  • NVE Corporation
  • Freescale Semiconductors
  • Micro Magnetics
  • MultiDimension Technology

Společnost NVE je přitom prakticky jedinou společností na světě, která komerčně produkuje senzory s technologií AMR, GMR i TMR. Naopak společnost Sensitec GmbH s velmi širokým sortimentem AMR a GMR součástek zatím TMR provedení nenabízí, když již na tom prý pracuje. Světoznámá společnost Honeywell se pak primárně stále v oblasti magneto-rezistivních snímačů orientuje na technologii AMR.

Senzor NVE AAT001-10E

V nabídce společnosti NVE Corporation je zatím jen jeden TMR produkt. Jejím úhlový senzor (senzor natočení) s označením AAT001-10E.

Ten tvoří pole čtyř TMR elementů vzájemně pootočených o 90° zapojené do klasického odporového můstku. Výstup může konfigurován, aby reprezentoval sinovou či kosinovou závislost externího magnetického pole a je tedy úměrný napájecímu napětí.

Díky vysoké citlivost TMR jevu je však výstupní napěťový rozkmit výrazně větší než u zbylých magnetorezistenčních (MR) technologií. Každý TMR element má vlastní jmenovitý odpor cca 1,25 MOhmů a je realizován jako struktura s jednou fixovanou a jednou volnou feromag. vrstvou (free and pinned magnetic layer). Saturační hodnota mag. pole je 30 až 200 Oe v rovině senzoru.

Celý senzor je zapouzdřen do pouzdra TDFN6 velikosti 2,5 x 2,5 x 0,8 mm.

Základní parametry:

  • Měřící rozsah úhlu: 0 až 360°
  • Chyba měření úhlu: max. 3°
  • Snímací rozsah mag. pole: 30 až 200 Oe (tj. 30 až 200 mT)
  • Výstup: napěťový sinový či kosinový průběh, rozkmit typ. 160 mV/V
  • Napájecí napětí: max. 5,5 VDC
  • Provozní teplota: -40 až 125 °C
  • Pouzdro: TDNF6 s rozměry 2,5 x 2,5 mm

 

Průběh napěťového výstupu senzoru při napájení napětím 5 VDC v přítomnosti externího magnetu o průměru 12 mm. Výstup se jen nepatrně mění v závislosti na vzduchové mezeře mezi magnetem a samotným senzorem.

Senzor Freescale MAG3110

Teď se budeme věnovat jednomu z velkých a renomovaných výrobců integrovaných obvodů a senzorů, společnosti Freescale Semiconductor. Zvláště jeho MEMS senzory tlaku a akcelerometry jsou již všeobecně známé a i na HW serveru, resp. automatizace.hw.cz, o nich již bylo napsáno mnoho. Nejnověji se však vrhnul i na pole integrovaných senzorů mag. pole a hned rovnou realizované technologií TMR.

Jejich součástka je označena vcelku nenápadně jako MAG3110, navíc v základním datasheetu není nikde ani zmínka o tom, že je realizována pomocí TMR. To se dá dozvědět až z "interních informací" Freescalu. Naopak všude je informace, že jde o tzv. 3D senzor, tedy pro současné snímání magnetického pole v osách X, Y i Z. Proto také obsahuje tři snímací elementy, každý v podobě samostatného plného odporového Wheatstonova můstku (viz obrázek níže), které jsou vzájemně prostorově natočeny o 90°. Každá snímací sekce je následně přes signálový multiplexer připojen na společný A/D převodník provádějící přesnou digitalizaci signálu. Díky použití technologie TMR pak není nutné před převodem realizovat přesné zesílení analogového signálu, protože je již sám o sobě má dost velkou amplitudu. Poté se již všeho chopí integrovaný procesor, který provede výpočet směru mag. pole, provede linearizace apod. Výstup je při této „výbavě“ již samozřejmě plně digitální v podobě sériové datové komunikace I2C se 7bitovou identifikační adresou.

Blokové schéma zapojení celého čipu senzoru MAG3110.

Senzor MAG3110 tedy je plně integrovaný moderní digitální senzor, podobně jako ostatní senzory Freescale. Výborně se tak hodí pro realizaci zařízení typu digitální kompas, jako záložní doplněk k GPS navigaci, či realizaci zařízení detekce mag. polí.

Základní parametry:

  • Měřící rozsah mag. pole: +/- 1 mT ( tj. +/- 1 Oe)
  • Měřící osy: X, Y, Z
  • Citlivost senzoru: 0,1 mikroT
  • Chyba měření mag. pole: max. 0,25 mikroT
  • Frekvence měření: max. 80 Hz
  • Výstup: datová komunikace I2C
  • Napájecí napětí: 2,0 až 3,8 VDC
  • Provozní teplota: -40 až 85 °C (z důvodu integrovaného CPU)
  • Pouzdro: microDNF s rozměry 2 x 2 x 0,85 mm

 

Princip a provedení 3D snímací části magnetického senzoru Freescale MAG3110.

Senzory MultiDimension (MDT)

Společnost MultiDimension (MDT) je velmi mladou čínskou společností založenou teprve v roce 2010, která se specializuje právě na návrh a výrobu TMR senzorů. Aktuálně má v nabídce 3 odlišné typy, vhodné pro různé aplikace:

  • TMR senzor s lineárním výstupem
  • TMR senzor s přepínací výstupem s hysterezí
  • Rotační TMR senzor pro měření směru mag. pole

Lineární senzor se vyznačuje maximalizovanou lineární částí převodní charakteristiky a naopak minimální hysterezí. Ta má lineární průběh převodní charakteristiky v pracovní oblasti magnetického pole v rozsahu +/- 50 gassů (tedy ve vzduchu +/- 50 Oe) s chybou linearity 1%. Senzor je tvořen opět odporovým můstek s elementy s odporem cca 90 kOhmů a citlivostí 2,5 mV/V/Oe.

Výstupy TMR senzorů s lineárním (vlevo) a skokovým výstupem (vpravo).

Přepínací senzor pak naopak má nastavený přechod mezi dvěma odporovými stavy jako skokový, tedy lineární oblast je minimální a při působení externího mag. pole dostatečné velikosti dojde k rychlému (téměř skokové) změně odporu TMR elementů. Zde je konkrétně provozní bod (BOP) hodnota pole 1,5 mT a uvolňovací hodnota -1,5 mT (BKP), Hystereze je tedy 3 mT. Dá se tedy využít hlavně jako magneticky ovládaný spínač či čtecí hlava dvoustavového záznamu magnetické pásky či disku. To vše při napájení do 5,5 VDC a provozní teplotě -40 až 125 °C. Maximální přepínací frekvence je pak 20 kHz.

Nakonec je v nabídce rotační senzor, který podobně jako senzor NVE AAT01, provádí měření natočení mag. pole v rozsahu 0 až 360°, zde s chybou 1°. Senzor je opět realizován jako odporový můstek s odporem elementů 500 kOhmů s výstupním analogovým signálem s rozkmitem 800 mV/V při napájení až 7 VDC (tedy až 5,6 V). Pro spolehlivé měření natočení musí být indukci snímané mag. pole v rozsahu 80 až 400 Oe.

Rotační TMR senzor vyhodnocuje směr (natočení) externího mag. pole.

Senzory SpinTJ Magnetic Field Sensors Micro Magnetics

Senzorová řada americké společnosti Micro Magnetics s označením SpinTJ je dle informacích výrobce založena na nejnovější technologii magnetického tunelování poskytující vysokou snímací citlivost, nízkou spotřebu, malé rozměry výsledné součástky a také umožňuje realizaci lineární i bipolární převodní charakteristiku (odezvu na vliv externího mag. pole).

Technologie SpinTJ výrobce využívá v několika různých konfiguracích umístěných v pouzdrech SMA, DIP-8 či SOIC-8:

  • Mikrosenzory STJ-001, STJ-0x0 a STJ-100
  • Víceúčelové nízkošumové senzory STJ-2x0
  • Celomůstkové senzory – STJ-3x0 a STJ-400
  • Polomůstkové senzory – STJ-4x0 a STJ-500

Nezávisle na tom jsou navíc k dispozici provedení s lineární či bipolární charakteristikou.

Porovnání základních parametrů výše uvedených skupin výrobce poskytuje v následující tabulce:

Tabulka základních parametrů jednotlivých řad TMR senzorů Micro Magnetics.

Takové široké spektrum nabídky je ideální pro realizaci jak různých komerčních aplikací, tak i pro lékařské, vojenské či výzkumné účely. Například lze zmínit různé magnetické enkodéry, elektronické kompasy, snímače el. proudu, snímače úhlu a natočení, magnetické spínače např. v zabezpečovací technice, magnetické skenovací mikroskopy, magnetické spektrální analyzárotory, detektory nanočástic, výroba miniaturních „chytrých snímačů“ typu smartdust, lékařská zařízení apod.

Příklad dostupných provedení a pouzder univerzálních TMR senzorů společnosti Micro Magnetics

Rodina SpinTJ také zahrnuje dva speciální produkty. Jsou to magnetická senzorová pole s označením STJ-A a STJ-B. Ty jsou složené z lineárních polí až 16 mikrosenzorů každý s citlivostí na magnetická pole řádu nanotesla a vzdálených jen několik mikrometrů. Tedy něco jako obrazový snímač, ale místo na světlo citlivých plošek, jsou zde magneticky citlivé plošky.

Prakticky jsou složené ze 4 komponent: SpinTJ senzorové pole, vyhodnocovací elektroniku, pouzdro a komponenty vedení mag. pole k snímacím prvků. Verze STJ-A je vhodná pro skenovací a obrazové aplikace, zatímco verze STJ-B pro čtecí obvody magnetických záznamových zařízení, pro plošná měření el. proudu či pro realizaci snímačů biomagnetických polí.

Závěr

I když výrobců TMR magnetických senzorů stále není mnoho, každým rokem jich přibývá. Jde o to, že tunelový magnetický efekt je velmi zajímavá technologie, která je sice dost náročná na výrobní procesy, ale zase pro výrobce vykazuje velmi zajímavé snímací parametry, které se hodí nejen pro samotné aplikace, ale i jsou ideální i pro prodejní manažery a reklamu.

Protože je nabídka i zde výše uvedených výrobců poměrně hodně rozsáhlá a zajímavá, zvláště v případě společnosti Micro Magnetic, budu se TMR senzorům věnovat ještě podrobněji v některém z dalších článků.

Článek vytvořil z podkladů výrobců: Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: